（机械设计及理论专业论文）散货堆场机械智能快速设计系统研究与实现.pdf

摘要 摘要 随着经济一体化的发展，制造业的竞争越来越激烈，企业在激烈的竞争中 不得不通过提高产品质量，缩短交货时问等方法来保持或提高自身的竞争力。 产品质量的提高和交货时间的缩短都与产品的设计方法息息相关，于是近几年 来，企业越来越重视产品设计方法的探索和研究。 本文即针对散货堆场机械的系列化设计中有同类型机器结构相差不大的特 点，提出开发包含设计方法和规范等知识库的智能快速设计系统来进行产品的 设计。这类机械的设计特点是结合规范和整体布置的要求不断需要分析计算修 改，存在大量的重复劳动极易出错。本系统采用参数化驱动和建模的方法，运 用分析在先建模在后的设计思路，用v i s u a lc + + 进行w i n d o w s 可视化界面的设计， 通过后台调用a n s y s 进行结构分析，二次开发s o l i d w o r k s 进行参数化的建模，用 a d o 数据库接口建立系列设计数据管理系统。最后以散货机械中最典型的斗轮堆 取料机的设计为对象开发并实现了一套智能快速设计系统，并以设计实例进行 验证。 本系统可以大大减少散货堆场机械传统的“设计一分析一重设计 的设计方 法中的重复劳动，提高设计的效率和质量，并使设计者将主要精力集中到更具 创造性的工作中。 关键词：散货堆场机械，快速设计，参数化技术，有限元技术，数据库技术 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ed r a s t i cc o m p e t i t i o no fe 丑o b a le c o n o m i c ，e n t e r p r i s e sm u s tk e e p m a i n t a i n i n go rp r o m o t i n gi t sc o m p e t i t i v e n e s so nm a r k e tb yi m p r o v i n gq u a l i t yo f p r o d u c t sa n dr e d u c i n gd e l i v e r yt i m e ，e t c i ti s av e r yc l o s er e l a t i o n s h i pb e t w e e n d e s i g nm e t h o do fp r o d u c t sa n dq u a l i t y , d e l i v e r yt i m eo ft h e m t h e r e f o r e ，e n t e r p r i s e s r e c e n t l yp a y m o r ca n dm o r ea t t e n t i o no ne x p l o r a t i o na n dr g s e a r c ha b o u t r e n o v a t i o no f d e s i g nm e t h o d s i nt e r m so ft h a tt h e r ea r eo n l ys m a l ls t r u c t u r a ld i f f e r e n c e sa m o n g t h es a m et y p e o fm a c h i n e si nd e s i g np r o c e s so fy a r db u l km a c h i n e s ，am e t h o do fc r e a t i n g 锄 i n t e l l i g e n tr a p i dd e s i g ns y s t e mw i t hm l lk n o w l e d g ed a t a b a s eo fd e s i g np r o c e s sa n d s t a n d a r di sp r o p o s e dt ob ea p p l i e do nt h ed e s i g no fy a r db u l km a c h i n e s t h es y s t e mi s b a s e do nt h ep a r a m e t r i cm e t h o da n da p p l i e dw i t han e wc a e t e c h n o l o g yt h a tt h e m o d e l i n gp r o c e s si sa f t e rt h ea n a l y s i s i tu s e sv i s u a lc + + t o b u i l dt h ev i s u a li n t e r f a c e ， t a k e st h es t r u c t u r a la n a l y s i sb yl a u n c h i n ga n s y s a tb a c k g r o u n d ，d o e st h em o d e l i n g b ys e c o n d a r yd e v e l o p m e n to ns o l i d w o r k s ，a n d m a k e sad a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m b ya d ot e c h n o l o g y f i n a l l y , i tt a k e st h es t a c k e ra n dr e c l a i m e rm a c h i n e a sad e s i g n o b j e c tt ob u i l da l li n t e l l i g e n tr a p i dd e s i g ns y s t e m ，a n dt h e nr u n sad e s i g ni n s t a n c e t o p r o v e i t t h i ss y s t e mc a ng r e a t l yr e d u c er e p e a t i n gw o r k so ft h et r a d i t i o n a ld e s i g np r o c e s s o fv a r db u l km a c h i n e s “d e s i g n a n a l y s i s - r e d e s i g n ”，a n de n h a n c ei t se f f i c i e n c y a n d q u a l i t y , s ot h a tt h ed e s i g n e r sc o u l d d om o r ec o n t r i b u t i o nt om o r ec r e a t i v ew o r k s k e vw o r d s ：y a r db u l km a c h i n e r y , r a p i dd e s i g n ，p a r a m e t r i ct e c h n o l o g y , f i n i t ee l e m e n t t e c h n o l o g y , d a t a b a s et e c h n o l o g y i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的e n 届i j 本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：涉渺 缈年。；月- p oe l 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其它个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 了年o ：；月伽日 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 在市场经济条件下，市场竞争变得日益激烈，用户对产品质量，生产成本， 生产周期等方面都提出了更高的要求。随着计算机和互联网技术的发展，设计 制造业正朝着数字化、全球化、敏捷化方向发展，传统的机械设计模式不能适 应市场发展的需要。要提高设计质量，缩短设计周期，这就需要对现行的传统 的设计方法进行更新。 在散货堆场机械的设计过程中，传统的“设计一校核一设计的设计模式由 于其重复劳动过多，效率低下及易出错，已经逐渐跟不上市场的要求。因此， 利用计算机高速发展的成果，用数字化设计代替人工设计工作的快速设计方法 正受到企业越来越多的重视。 1 2 课题背景 1 2 1 市场驱动下的产品设计 2 0 世纪木，世界市场发生了根本的变化，从原先那种相对稳定的市场变成 了动态多变的市场：产品的生命周期缩短，产品的品种增加、批量减少，顾客 对产品的交货期、价格和质量的要求越来越高。世界经济最大的变化是全球买 方市场的形成和产品更新换代速度的同益加快。同时，由于生产力的高速发展， 使得社会的总供给能力远大于需求量，因而普遍形成买方市场，所有企业都必 须经受这个全球买方市场的挑战。企业要想在买方市场保持竞争力，就必须想 方设法做到快速相应市场要求，生产出满足买方要求的产品。 企业快速响应市场的能力表现为具备从捕捉产品信息到及时投放市场的全 面快速响应能力，主要包括：快速捕捉产品市场动念需求信息及决策机制、产 品快速设计、产品快速制造工程，其中产品快速设计是企业快速响应市场的关 键。 第1 章绪论 产品设计是产品的灵魂，产品的生产周期中最重要，占最大比重的就是产 品的设计过程，产品的结构、功能、质量、以及人、机、环境关系等等，原则 上都是在产品的设计阶段确定的。有关方面统计，产品的生命周期成本的8 0 9 0 是由设计阶段最早的1 0 - 2 0 决定的。根据对我国2 0 0 0 多种机械产品的抽样调查， 产品开发周期平均为1 8 个月，周期明显偏长，已经成为在国内外市场竞争中失 利的重要原因。与此同时，美国1 9 9 0 年就实现了新产品设计周期3 个星期，与国 内水平对比鲜明。以散货堆场机械的现有设计水平，在有类似产品参考的基础 上，研发出一个新的产品还是需要6 个月甚至更长的时间。 1 2 2 现代设计理论的发展现状 企业在竞争压力下，都不得不各种各样的技术来缩短产品的丌发周期，以 适应复杂多变的市场，先进设计方法的研究已经收到企业越来越多的关注。基 于现代设计理论与方法，这些方法技术主要有：并行设计( c o n c u r r e n td e s i g n ) 、 协同设计( c o l l a b o r a t i v ed e s i g n ) 、虚拟设计( v i r t u a ld e s i g n ) 、快速原 型技术( r a p i dp r o t o t y p et e c h n o l o g y ) 等。 并行设计是并行工程的核心内容，其主要特点是多个学科团队可以协同工 作，在设计初期就确定后面的种种因素，尽可能少的省掉工作组等待的时间， 并且提高设计制造的一次成功率，实现提高质量，缩短产品开发周期的目的。 并行设计可以克服传统的串行设计方法的效率低，成本高的缺点，现在j 下逐渐 受到企业的采用。 协同设计是在计算机网络技术高度发达基础上的产物，即在产品的开发过 程中，不同的开发团队和部门通过资源共享，在线的交流互动，交互参与对方 的工作，进行合作设计。协同设计有助于发挥员工的主动性，营造积极的工作 氛围，形成以人为核心的计算机辅助协同设计系统，从来实现缩短设计周期， 降低成本的作用。 虚拟设计以虚拟现实技术为基础，就是在计算机中营造一个虚拟的环境替 代真实的、可能耗资巨大的环境，在虚拟环境中先“制造”一个虚拟的产品， 并且可以在虚拟环境中对产品进行测试。这样，可以避免造价昂贵的一些产品 在样品时发现问题，造成生产成本过大的问题，对于造价高或者产量大的产品， 虚拟设计不仅可以为企业缩短设计周期，还可以节省费用。 2 第l 章绪论 快速原型技术是将现代c a d c a m c n c 技术、激光、精密伺服驱动和材料科学 等先进技术集于一体，使c a d 的几何模型和制造模型共享一个集成环境，能直接 从c a d 的数据模型生成三维产品模型。快速原型技术已经在发达国家的机械制造 业中得到广泛的应用，并由此产生了一个新兴的技术领域乜1 。 1 2 3 智能快速设计系统 传统的设计过程一般沿用经验类比的方法，即根据设计任务和要求，收集 相关的资料，凭借过去的经验，辅之以必要的基础的计算，确定一个较合适的 总体方案。再通过“设计一分析一再设计的过程，反复调整后直到获得较为满 意的方案。在市场经济高速发展的今天，这套设计理念已经难以适应社会发展 的需要。当前工业企业正面临着市场全球化、制造国际化和品种需求多样化的 新挑战，各企业间围绕着时间、质量、成本的竞争也越来越激烈。任何一个只 满足传统设计理念的企业，将逐渐失去市场，失去竞争力，以致最后被淘汰。 要想对市场做出快速反应，就需要缩短设计周期，提高设计效率。需要快 速作为反应的产品。一般来说，都有产品结构与相似产品结构变化不大的特点。 据统计，我国制造业中7 0 以上的产品设计工作是在原有设计基础上进行的，只 有约3 0 是全新的设计。因此可以利用以往的设计经验，结合计算机技术，制作 一套针对某一种相似结构的产品的数字化智能快速设计系统，以计算机代替人 力进行设计和校核，可以实现迅速优化参数，快速逼近最优解，大大省去了传 统的人力“设计一分析一再设计”的低效率的重复劳动喝1 。 智能快速设计系统将要设计的产品根据设计要求进行完全或者局部的参数 化，利用高速计算机的优势和开发者设计经验，设计的同时结合事先设定好的 计算或校核的方式进行分析，对参数进行逐一调整。等到所有参数确定，产品 方案也可以随之完成。再利用c a d 软件的可编程接口( a p i ) ，可以利用确定的 参数自动生成零部件甚至整机的图纸。 智能快速设计系统可以充分利用数字化技术高速发展的成果，利用计算机 的优越性和传统设计者的设计经验，使工程设计过程简单高效，尤其应对投标 及方案设计具有很强的现实意义。 随着经济全球化的发展，运输业发展迅速，各大散货码头、钢厂及电厂等 每天都要完成大量散货货物的堆卸，堆场机械制造业发展迅速。相关生产企业 3 第l 章绪论 近几年来要完成大量的散货堆场机械的制造工作，竞争激烈。要应对快速发展 的市场和同类行业的竞争，就必须提高生产质量，缩短生产周期，降低成本。 设计环节是整个过程中关键的一环。散货堆场机械( 如堆料机、取料机、堆取 料机等) 在重型机械产品中发展较晚，设计方法比较传统，对各种新设计技术 的全面应用还处于起步阶段，设计效率较低，设计周期较长。散货机械的设计 人员在进行实际工程设计过程中发现：同一种类型的机器的主要拓扑结构形式 差别不大，设计每台机器时需完成的工作内容具有重复性，尤其是主要钢结构 的设计校核反复更多，成为整机设计的瓶颈。可否有种方法可以用计算机来代 替人工进行可重复的设计任务决定了设计效率是否会有很大的提升空间。本课 题就是研究并实现将建立智能快速设计系统的方法应用于散货堆场机械的设计 过程，证明其具有一般的、现实的意义。 1 3 研究内容 本文以提高散货堆场机械设计效率的现实意义出发，以散货堆场机械快速 设计为研究对象，探索出一套集成了设计流程、经验、规范的设计方法，辅助 设计人员进行散货堆场机械的快速高效设计，并且对产品设计数据资源的管理。 研究的主要内容包括： ( 1 ) 研究散货堆场机械的设计特点和关键问题，提出快速设计系统的主 要思想和理论模型。 ( 2 ) 研究将快速设计系统的理论模型具体化，模块化，并研究其关键技 术。 ( 3 ) 研究在现有开发工具条件下，快速设计系统各模块的具体实现。 ( 4 ) 研究设计系统的实际应用，并对智能快速设计系统应用于同类散货 或者工程机械产品设计进行发展展望。 1 4 课题意义 随着市场的发展，竞争压力的加剧，要想在竞争中占得先机，就要不断提 高效率，计算机越来越多取代人力应用于工程实际场合。c a d 软件的出现是绘 图工作从最早的手画图发展到计算机绘图，大量c a e 软件的出现使得工程分析 4 第l 章绪论 过程变得可视化，简单化，这样不仅可以大大的缩短设计时间，而且设计质量 也可以得到保证和提高。本课题就是研究将计算机的优越性应用于散货堆场机 械的设计中，其作用和意义可以归纳为以下几个方面： ( 1 ) 在传统的设计过程中，c a d 和c a e 的过程脱节，使得设计笑傲率低 下，而本课题研究的设计系统将两者在一个平台上同时实现，使结 构紧凑高效。 ( 2 ) 设计系统实现客户化定制，提高了面对参数修改的快速相应能力， 大大的缩短了设计时间，提高了设计效率，并且减轻了设计工作者 的劳动负担。 ( 3 ) 对企业来说，可视化的操作界面可以降低设计者的要求，这样就可 以将有经验有能力的技术人员投入到更高层次的研究和开发工作中 去，以此继续提高企业竞争力。 ( 4 ) 本课题是计算机应用于实际工程的一次更深层次的尝试。c a d 和 c a e 软件的出现确实能使画图和分析变得简单，但客户化定制的快 速设计系统显然将比单纯的c a d 和c a e 软件应用与工程需要更少 的人工参与，计算机更大限度代替人工参与到计算机辅助工程中来。 ( 5 ) 本课题是以提高设计效率，节约设计成本为目的，利用计算机，将 设计和分析有机结合在一起的快速设计方法应用于散货堆场机械的 设计研发中的一次尝试，具有一定的市场价值。 1 5 本文各章节内容构成 第1 章绪论 简要地介绍了现代设计理论的发展情况，课题的来源、背景、研究内容和 意义。 第2 章快速设计系统的总体设计 先介绍了散货堆场机械传统的设计方法，指出其不足和改进方向。简要介 绍快速设计系统的基本概念和特点，以及设计系统开发中需要涉及到的一些关 键技术，如模块化技术、参数化技术等。最近提出总体设计方案 第3 章智能快速设计系统的开发工具 对设计系统开发中用到的开发工具和解决关键问题的应用软件和技术，包 5 第1 章绪论 括v i s u a lc + + 、a n s y s 、s o l i d w o r k s 、数据库技术等进行了简单的概括和介绍。 第4 章散货堆场机械智能快速设计系统的开发 详细介绍设计系统各个模块的具体实现，以堆取料机快速设计系统的开发 为例，介绍了各个模块的开发过程和关键技术，包括关键设计参数的确定、交 互平台的设计、结构分析的规范和分析模块设计、建模模块的设计、数据管理 系统的设计等。 第5 章堆取料机快速设计实现案例 以4 0 0 0 n 屯堆取料机的快速设计为例介绍了设计系统的工作过程，包括参数 录入、结构分析、自动建模等。 第6 章结论 对课题的研究和成果进行总结，并且对此设计方法进行展望，提出未来可 以进一步研究的方向。 6 第2 章快速设计系统总体设计 第2 章快速设计系统总体设计 2 1 快速设计系统综述 快速设计技术与方法是当前市场在对产品多样化、瞬变性等需求的形势下 提出并发展起来的。它是基于现代设计理论和方法，同时应用微电子、信息、 管理等现代科学技术，以缩短产品开发周期为目的的一切设计技术与方法的总 称。一切有助于加快产品开发速度的理论、方法、手段都可以成为快速设计技 术与方法的组成部分。它涉及到多学科的交叉，于是也必然形成多方向的发展， 其中人工智能和人机交互技术与方法构成了其智能化的特点心1 。 快速设计系统为了达到使产品快速设计成型并投入市场就必须要能够根据 客户的需求快速地生成所需要的机械产品。机械产品的快速设计需要综合运用 各种先进的设计技术，包括模块化技术、参数化技术、c a e 技术、基于c a d 的 设计工具、数据库技术等等。 2 2 快速设计系统的关键技术 2 2 1 模块化设计 模块化是指对产品或系统进行规划和组织，在对产品进行分析的基础上将 产品分解成低一级的子单元。现代产品设计的复杂性使任何部门或个人很难完 成整个产品的设计，只有将产品划分为各级子系统，才能从根本上降低设计的 复杂性和难度，加快产品的研发。 模块化设计在技术上和经济上都具有明显的优点，主要体现在以下几个方 面： ( 1 ) 提高设计生产效率，缩短交货周期，可使现有机械工业向高科技产 业发展； ( 2 ) 模块化设计系统扩展性强，便于改进，有利于提高产品质量和可靠 性； ( 3 ) 有利于企业根据市场变化，发展产品品种和引进新技术，采用先进 第2 章快速设计系统总体设计 技术更新或扩展模块，在不影响其它模块的基础上，形成先进的产 品，使产品不断保持先进性，取得市场优势： ( 4 ) 模块划分也可以方便建立功能强、适应性好、重用性好的参数化设 计模型及程序库。 2 0 世纪7 0 年代，模块化设计在工程机械行业也得到了迅速发展。例如，法 国的p o t a i n 公司，瑞典的l i n d e n 公司以及德国的l i e b h e r r 公司等首先将模块化 设计的方法应用到塔机产品的开发中，用有限的模块有机地满足客户需求的各 种施工用的塔机。德国d e m a g 公司所设计和制造的单梁吊车改为模块化设计后， 其设计费用仅为单台设计时的1 2 ，生产成本降为4 5 ，显着提高了经济效益 和竞争能力。 模块化设计技术在我国得以应用与发展始于2 0 世纪7 0 年代末至8 0 年代初， 首先应用于机床行业中。我国不少厂家应用模块化设计与生产并且取得了不少 成果。杭州汽轮机厂主要通过引进德国的s i e m e n s 公司的模块化技术在汽轮机的 模块化生产和研发中取得了很好的经济效益；上海仪表机床厂和上海市机床研 究所曾对仪表车床进行模块化设计，通过对仪表车床的仔细研究和合理规划， 在较短时间里完成了1 3 个品种的设计和制造，采用模块化设计进行生产研发使 得他们的设计速度提高了近6 倍。采用模块化技术后在制造周期上效果也很显 着，用同样的时问可以试制更多的新产品，这是单台设计和制造在正常生产情 况下无法实现的。 模块化不是研究和解决某一个孤立的产品或系统，而是解决某类产品。设 计者根据客户的要求对系统的某些模板进行设计，重新设计后的模块通过模块 之间的接口与其它模块相连接组合成系纠6 1 。 在对散货机械的快速设计中也可以引入模块化设计的理念。首先对产品的 设计要求、内容和过程进行分析，根据实际需要将设计平台模块化。平台可大 致分为参数化模块、结构分析模块，建模模块和数据管理模块等，详见2 3 散 货堆场机械快速设计系统总体设计。 2 2 2 参数化技术 参数化设计是快速设计中的关键技术之一，它是一种基于约束的产品建模 第2 章快速设计系统总体设计 方法，它用约束来描述产品的形位特征，将设计要求、设计原则、设计方法和 设计结果用参数来表达，根据参数的调整来实现尺寸对图形的控制，快速地生 产满足客户不同要求的不同产品制支术。 参数化设计对于结构比较定形的产品，在建立参数化模型的基础上，通过 调整参数可修改和控制几何形状，自动实现产品的精确造型，由此大大提高产 品的设计效率和设计质量。参数化设计技术出现的时间还不太长，目前仍处在 不断发展和完善时期。参数化的设计首先是要从原有的图形中提取特征参数， 同时要确定参数间的联系与驱动关系，图2 1 为参数化设计的一般过程嘲。 原始c a d 模型卜一特征的整理和提取卜一 参数的提取 新图形生成卜一参数系统设计卜一参数化尺寸驱动 图2 1 参数化的一般过程 参数的提取是参数化技术中的重点，参数化技术在参数的提取时需要设计 人员对产品进行仔细分析，提取其中重要的驱动参数以及重要的控制图形特征 的参数。通过设计人员对参数的合理的提取以及对系统的设计，参数化技术能 够很快地对产品进行重新设计。同时设计过程是一个不断探索的过程，设计人 员要不断地对参数化系统进行改进和优化，使得系统能够更好地满足设计生产 需要。 参数化设计技术自产生以来得到了迅速的发展。1 9 6 3 年，s u t h e r l a n d 在 s k e t e h p a d 系统中提出了两个重要的概念：交互式图形系统和基于约束的设计。 这两个概念对后来以几何造型为核心的传统c a d 理论及应用产生了重要影响，可 认为是参数化发展的起源。1 9 7 8 年，以r c h i l l y a r d 为代表把尺寸和公差视为 特征点间的约束，通过尺寸和视图指定零部件的形状，利用给定的尺寸方案来 判定零件图是欠约束、过约束或是完全约束。在此基础上提出了变量几何和几 何约束思想，并经由美国麻省理工学院计算机辅助实验室d c g o s s a r d 及其研 究小组的进一步完善而确立了参数化设计的基本思想和理论。1 9 8 年，b a l d e f e l d 于提出的基于符号操作和推理处理一般几何模型的方法：1 9 9 0 年同本东京大学 s u z u k i 提出的用规则来表示二维尺寸约束，用约束传递等技术进行模型的参数 化，并给出了几何模型和约束的逻辑框架及几何推理机制：1 9 9 4 年y a a c o vh e l o r 9 第2 章快速设计系统总体设计 提出了利用k a l l m a n 滤波器的松弛参数化方法等等。基于知识的参数化理论逐 渐完善，参数化方法在实践中得到广泛的应用。这一阶段以j a ey e o ll e e 提出 的利用图表示的基于知识的几何推理法和x i a o - s h a ng a o 提出的约束传播法为主 要代表，出现了更多的参数化理论及方法 参数化方法在实践中得到迅速的发展，在参数化的发展中形成了很多参数 化的方法。主要有这几种方法：( 1 ) 代数法，数值迭代法、符号法、概率约束法 与基于遗传和退火算法的参数化设计方法都是代数法。代数法是将几何约束表 示为非线形方程来确定二维几何图形的位置，但是，该方法有很多的弊端如迭 代收敛性问题等等：( 2 ) 基于规则的方法，在这种方法中用几何推理和规则匹配 法来分别确定约束满足次序及应用何种规则来进行求解：( 3 ) 编程参数化是最为 常用的一种方法，这种方法是将尺寸作为变量，确定各尺寸之间的数字关系， 对每种不同结构的零件编写不同的程序，这种方法简单，但是有局限性，多用 于通用f l 勺c a d 软件上进行开剔卜1 1 】。 参数化技术在散货堆场机械的快速设计中也必然要发挥出至关重要的作 用。散货堆场机械也属于结构形式变化小的产品，唯一变化的一些结构，比如 跨距长度，桁架数量和宽度，轮距，轨距，斗轮宽度与直径，梁的截面形式等 等将其参数化，使之成为设计系统中的变量来进行控制。将散货机械的设计参 数化以后，就大大的降低了设计的复杂性，提高了设计的效率，并且参数化为 变量后，便于用程序进行修改控制。也正是根据设计参数化后的那些参数，才 能对数据库系统进行设计，对参数驱动的模型进行结构分析。可以这么说，整 个快速设计系统都是以参数化方法为前提的。 、 2 2 3 分析在先建模在后的设计思路 产品仿真技术c a e 分析可以说是现代产品研发中出现最早的技术，它一直刺 激着工业产品和技术的创新。c a e 和其它诸如信息化产品本质的区别在于：其它 信息化产品让企业降低了成本，而c a e 为企业产品产生了高附加值，真j 下能为现 代企业创造高额利润，这才是提高企业竞争力的关键所在。随着人们对c a e 技术 价值的认识逐步深刻和c a e 技术本身的发展，c a e 技术正在火热起来。 现代产品研发流程中，通常先使用c a d 建模，在根据c a d 模型做建模分析。 因此，传统观念中，c a e 分析理所当然是后端工作。但在最先进的机械产品研发 l o 第2 章快速设计系统总体设计 流程中，c a e 分析逐渐成为c a d 的“先行”技术，在新产品设计周期里，c a d 付诸 实现之前，c a e 已经开始行动了。 c a e 分析过程，包括结构分析、机构仿真分析等，用的模型信息和实际投入 生产制造的图纸信息的差异性，使得分析过程“前置 成为可能。先从概念化 的产品中抽取分析有用的模型信息构建分析模型，对分析模型进行分析或仿真， 结果通过后再绘制正式工程图纸。这种分析在先建模在后的设计思路，不仅可 以大大减小了“设计一分析一重设计 过程中设计者的重复劳动工作量，减轻绘 图人员的工作负担，而且由于分析模型的修改比c a d 模型简单，使得产品的设计 更具备灵活性。 这种设计思路也给智能快速设计系统的可行性提供了一定的理论基础。 2 2 4 其它关键技术 面向对象的软件开发技术：c + + 是一种面向对象的开发语言，它的类( c l a s s ) 功能可以将诸多需要频繁使用、且“体积”巨大的内容封装为具有对应功能的 c + + 类。这样，简化了知识的复用，提高了开发的效率，而且使程序变得更加紧 凑。 二次开发技术：软件的二次开发是指根据实际需要，用软件提供的a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m a b l ei n t e r f a c e ) 接口对软件进行再次开发的过程。 在需要自动建模出图的快速设计中需要用至i j c a d 软件的二次开发技术。大型的 c a d 软件，如p r o e ，s o l i d w o r k s 等都会公开其部分a p i ，可以用v b ，v c 等编程软 件结合其a p i 进行二次开发，以完成需要的功能，实现成品的快速建模【1 2 b 】。 数据库技术：数据库技术是计算机技术的重要分支，是数据管理的实用技 术。人类社会随着计算机技术、通信技术和网络技术的发展，已经进入了信息 化时代。信息资源已成为最重要和最宝贵的资源之一，建立一个行之有效的信 息系统是企业组织生存和发展的重要条件。作为信息系统核心技术和重要基础 的数据库技术也有了飞速发展，并得到越来越广泛的应用。从某种意义上说， 数据库的建设规模，数据库信息量的大小和使用频率已成为衡量一个国家信息 化程度的重要标志。在快速设计系统的设计中，也需要构建一套数据库管理系 统，用来管理数据存档，使数据操作更加灵活简便【1 4 ，15 1 。 第2 章快速设计系统总体设计 2 3 散货堆场机械快速设计系统总体设计 散货堆场机械产品的设计过程如下( 主要考虑金属结构设计) ：首先，根 据项目任务书要求，完成整机的系统布置。据此，产品绘图人员进行产品金属 结构图纸的绘制；然后，图纸绘制初步完成后提交结构分析人员，根据适当的 分析要求对金属结构及其附件进行分析；最后，对分析结果进行评估，如果满 足设计要求，图纸即满足要求，可投入制造，如果不满足设计要求，绘图人员 需要修改图纸后，重新提交结构分析，直至结构分析满足要求。 快速设计系统要实现快速设计，就是要将传统设计过程进行总结和分析， 从过程中找到可以加速设计的地方，提出系统概念性的功能要求，并寻找合适 的技术和方法。 根据设计目的，快速设计系统实现如下功能： i 结馨昼寸 载荷信息 ( 自重，料载， 载荷组合 计算要求 风载荷等) 信息 之多过多迫弓 多 l快速设计系统 迫乡迫多 ， 结构计算各项计算产品 结果展示报告三维模型 2 2 快速设计的功能 如图2 2 ，本系统的功能是将产品设计的的结构尺寸信息、载荷信息、载荷 组合信息、计算要求等信息输入系统，在系统中经过运算，输出结构计算的结 果、计算报告和产品的三维模型。 这个系统功能的实现需要用到将以下这些关键技术和设计思路。 ( 1 ) 参数化技术应用与快速设计。 从设计要求、具体设计到结构分析及其结果展示，每个过程都可以将信息分 解为多个参数，设计过程即为将这些参数进行获取、编辑、替换、保存的工作。 将用到的信息完全参数化，就可以方便地使用计算机编程的方法实现参数的处 理。 ( 2 ) 分析在先建模在后的设计思路的应用 在散货堆场机械的结构分析中，根据其金属结构的特点，在有限元计算时， 1 2 第2 章快速设计系统总体设计 有限元模型多为梁模型，结构简单，建模快速，无需依赖于完整的二维图纸， 因此可以应用分析在先建模在后的设计思路，将绘图过程放入整个设计过程的 最后一步，避免“设计一分析一重设计过程，大大减少绘图人员重复劳动。图 2 3 为传统的设计思路和新设计思路使用后设计过程的比较。 图2 3 a 传统的设计思路 结构计算 卜、 结构计算 j 、 结构计算 v l 1 v 2 叫 v 3 结构计算a建模 _ l 出图v n 图2 3 b 分析在先建模在后的设计思路 ( 3 ) 二次开发技术的应用 c a d 软件的出现使产品设计的绘图速度有了一次大幅度的提升，在这样的背 景下，要想继续提升绘图速度，就必须再一次提高绘图的自动化程度，更大程 度的发挥计算机的优越性。c a d 软件的二次开发技术，可以使用户根据自身需要 对c a d 软件进行用户化的定制。它可以开发出面向产品的可视化的交互界面，也 可以实现一系列用户事先设定的操作。这样，就可以通过二次开发的方法，输 入规则和参数，实现自动建模。 ( 4 ) 数据库技术的应用 产品的设计，尤其是散货堆场机械的设计一般都不是从零开始，从无到有 的。设计方通常将相似产品或先前的产品结合自身设计要求进行修改，从而得 新产品。根据这个特点，快速设计系统中需要一个数据管理系统，用来保存先 前的设计案例或者保存未完成的设计。数据管理系统的设计需要用到数据库技 术。 ( 5 ) 模块化技术的应用 由于快速设计系统要同时用实现参数化、c a e 、二次开发自动建模、数据库 等技术和功能，因此就要将这些内容模块化，便于组织和管理，增强扩展性。 可分为如下模块：参数化模块、结构分析模块、建模模块、数据管理模块，如 图2 4 所示。 1 3 第2 章快速设计系统总体设计 图2 4 模块化图示 模块划分好以后，就需要研究如何将这些模块整合到一个系统中，形成一 个总体设计方案。散货堆场机械智能快速设计系统拟作如下总体设计方案： 首先，分析设计过程与内容，将设计要求、模型、分析等用到的所有信息 完全参数化；然后，运用w i n d o w s 编程软件( 如v is u a lc + + ) 设计w i n d o w s 可视 化交互平台，用以输入设计参数，输出设计结果，并且使之作为结构分析模块 和建模模块的公用平台，实现两者的联系；开发包含结构分析的一般过程和计 算规范等内容的结构分析部分，供交互平台选择调用，并且输出分析结果；二 次丌发c a d 软件( 女a s o l i d w o r k s 等) ，使其可以由交互平台参数驱动，实现自动 建模：在交互平台上用a d o 接口设计数据管理功能模块，用以管理历史数据。总 体设计方案如图2 5 所示。 2 4 本章小结 图2 5 快速设计系统总体设计方案 本章概述了快速设计系统的发展现状和特点，介绍了快速设计系统可能用 到的关键技术。再结合散货堆场机械的设计特点，按设计需要选择关键技术的 使用，最后介绍快速设计系统的总体设计方案以及所使用的关键技术的整合手 段。接下来，需要逐个介绍一下散货堆场机械智能快速设计系统的丌发工具。 1 4 第3 章智能快速设计系统的开发工具 3 1 引言 第3 章智能快速设计系统的开发工具 如上章所说，智能快速设计系统的开发包括开发四个大部分：可视化交互 界面、二次开发c a d 软件进行建模、结构分析系统、数据管理系统。本文运用 v i s u a lc + + 建立可视化交互界面；c a d 软件选用s o l i d w o r k s 2 0 0 6 ，根据其a p i 对 其进行二次开发；结构分析采用有限元的方法，运用大型工程软件a n s y s i o 0 ； 数据管理系统的数据库文件用m i c r o s o f ta c c e s s2 0 0 0 ，数据库的v i s u a lc + + 接 口采用a d o 技术。 3 2vis u alc + + 及相关技术 3 2 1v c + + 与基础类库( m f c ) v i s u a lc + + 是以c + + 作为语言，以m f c 类库为基础的功能强大的可视化开发 工具。v i s u a lc + + 6 0 ( v c 什6 0 ) 是m i c r o s o f t 推出的功能最为强大、代码效 率最高的开发工具。v i s u a lc + + 6 0 比以前的各版本更稳定、功能上更完善， 它的编译器、调试器、连接器、编辑器、资源编辑器等各项功能都有所加强。 编辑器具有自动语句生成功能，并能自动提示函数的参数、对象成员等，同时， 在数据库访问能力方面也有明显的改善。 m f c 的英文全称是m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s ，即微软的基础类。早在1 9 8 9 年，微软公司的程序员们开始试图将c + + 和面向对象的编程概念应用于w i n d o w s 编程中，以编写出一个可以使w i n d o w s 编程更加简便的应用程序框架。 m f c 本身就是一个庞大的c + + 类库，这些类能较好地实现对w in 3 2a p i 的封装， 为应用开发提供极大的便利。同时，m f c 依然支持对w i n 3 2a p i 的直接调用，这 样在基于m f c 的程序设计中可以像在w i n 3 2 编程中一样直接调用a p i 。另外，m f c 除了对w i n 3 2a p i 实现了封装外，同时封装了o l ea p i 、o d b ca p i 等底层a p i 函数 的功能，如对w i n 3 2a p i 实现的封装类似，为开发人员提供更高一层的接口，大 大地简化了w i n d o w s 编程。进一步来讲，m f c 比较彻底地封装t w i n 3 2 软件开发工 1 5 第3 章智能快速设计系统的开发工具 具包( s o f t w a r ed e v e l o p m e n tk i t ，即通常所说的s d k ) 中的结构、功能，它为 编程者提供了一个应用程序框架。 虽然m f c 要编写的程序在功能上是千差万别的，但从本质上讲，都可以归为 用户界面的设计、对文件的操作，多媒体的使用、数据库的访问等一些最重要 的方面。这一点j 下是微软提供m f c 类库最重要的原因，在这个类库中包含了在一 百多个程序开发过程中最常用到的对象。在进行程序设计的时候，如果类库中 的某个对象能完成所需要的功能，那么此时只要简单地调用已有对象的方法就 可以了【1 6 j 。 m f c 主要有以下一些特性： ( 1 ) 封装特型 构成m f c 框架的是m f c 类库，而m f c 类库是c + + 类库。这些类封装了w i n 3 2 应用 程序编程接口、应用程序的概念、o l e 特性、o d b c 和d a o 数据访问的功能等。在 本文设计系统的编译中，多次用到了m f c 的封装特性，封装了截面属性、 s o l i d w o r k s 建模、a d o 操作等类，大大方便了程序的编译。 ( 2 ) 继承特性 m f c 抽象出众多类的共同特性，并设计出一些基类作为实现其它类的基础。 这些类中，最重要的类是c o b j e c t 和c c m d t a r g e t 。程序员可结合实际，从适当的 m f c 类中派生出自己的类，实现特定的功能，达到编程目的。 ( 3 ) 虚拟和消息映像 m f c 以c + + 为基础，自然支持虚函数。但是作为一个编程框架，有一个问题 必须解决：如果仅仅通过虚函数来支持动态约束，则必然导致虚函数表过于臃 肿，消耗内存，效率低下。 例如，当c w n d 封装w i n d o w s 窗口对象时，每一条w i n d o w s 消息对应一个成员 函数，这些成员函数为派生类所继承。如果这些函数都设计成虚函数，由于数 量太多，实现起来不现实。于是，m f c 建立了消息映像机制，以一种富有效率、 便于使用的手段来解决消息处理函数的动态约束问题。这样，通过虚函数和消 息映像，m f c 类提供了丰富的编程接口。在程序员继承基类的同时，把自己实现 的虚函数和消息处理函数嵌入m f c 的编程框架中。m f c 编程框架将在适当的时候、 适当的地方来调用程序的代码。 1 6 第3 章智能快速设计系统的开发工具 3 2 2v c + + 数据库开发技术 3 2 2 1 概述 作为数据库开发的前端工具或开发环境有许多种，用得比较多的有d e l p h i 、 v i s u a lb a s i c 等，对v i s u a lc + + 来说，从v c + + 4 0 开始就对数据库开发提供了 比较好的开发环境：在v c + + 5 0 和v c + + 6 0 中，对数据库的访问技术更成熟、 功能更强大，借助于v c + + 可以轻松地开发出功能强、速度快、应用广并且占用 资源少的应用程序。 v i s u a lc + + 提供了多种多样的数据库访问技术- - - - - o d b ca p i 、m f co d b c 、 d a o 、o l ed b 、a d o 等n7 1 。这些技术各有自己的特点。它们提供了简单、灵活、 访问速度快、可扩展性好的开发技术。同时，这也是于其它技术相比v c + + 的优 势所在： ( 1 ) 简单性 由于v i s u a lc + + 提供了m f c 类、模板类以及a p p w i z a r d 和c l a s s w i z a r d 等一系 列“向导用于产生应用程序这一点会大大简化应用程序的开发。如果借助于 某些控件，甚至可以无需填写代码就可以产生一个完整的数据库应用。例如o d b c 接口和a d o 接口就可以做到这点。 ( 2 ) 灵活性 v i s u a lc + + 提供的开发环境可